高采样率的双踪数字示波器设计

阳 兵，彭立艮，江 洋

（武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079）

1 引言

数字示波器自20世纪70年代诞生以来，其应用越来越广泛[1]。随着计算机、半导体和通信技术的发展，电路系统的信号时钟速度越来越快，信号上升时间也越来越短，导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。因此，示波器应具备高采样率、高分辨力及低误差等高性能以满足市场的变化。

2 系统总体方案设计[2]

以单片机和FPGA为控制和数据处理核心，单片机主要控制波形的界面显示部分，大量的数据处理及硬件电路的控制主要在FPGA中完成。系统总体框图如图1所示，信号整形电路如图2所示。信号输入有2个通道，通道2跟随通道1一起采样信号，故测频模块只在通道1中。当2个通道同时观察信号时，适合观察2路相干信号之间的相位差，实现双踪示波。信号调理控制部分用来控制前级信号调理电路的增益，实现10挡垂直灵敏度，而且AD采样之前还可以选择直流耦合或交流耦合方式。扫描速度从100 ms/div到25 ns/div共有20挡，100 ms/div～25 μs/div挡采用实时采样，其他挡采用等效采样。25 μs/div～100 ns/div挡的等效采样所需步进延时由FPGA精确产生，最小步进延时为5 ns；50 ns/div～25 ns/div挡的等效采样所需步进延时由集成电路芯片DS1023产生，最小步进延时为1 ns。由FPGA中软件实现内触发，波形显示采用320×240的LCD液晶显示触摸屏，采用旋钮和LCD上的触摸键选择波形显示的各种属性。

图1 系统总体框图

3 系统硬件设计[3-4]

3.1 前级信号调理电路

前级信号调理电路将信号调理到A/D转换器采样的合适电压范围之内。本仪器为双踪示波器，即有2路信号输入通道，每一个通道的每挡垂直灵敏度都与前级信号调理电路的增益有一个对应关系。

图2 信号整形电路

3.2 测频电路

这部分核心器件采用超高速比较器TL3116。输入信号经过AD603构成的自动增益电路，这样保证信号进入TL3116时都能达到合适幅度。

3.3 AD采样电路

第一通道ADC采用MAX1425，第二通道采用AD9225，两者均为高速采样芯片，自带有采样保持功能，为等效采样时提供了采样保持。MAX1425为10位AD，最高采样率为20 MSa/s（兆采样/秒），但实际上控制它的最高采样率为1 MSa/s，且只用高8位作为有效位，即垂直分辨力为8 bit。AD9225的采样电路分别见图3，由于具有相似性，MAX1425的采样电路略。MAX1425具有内部电压基准，输入信号采用差分输入，差分输入电压范围为-2～+2 V，峰峰值最大为4 V，而且可以采用直流耦合或交流耦合。本系统采用直流耦合，而且采用内部基准，最后MAX1425的输入电压范围为0.25～4.25 V，峰峰值为4 V。

图3 通道2的AD采样电路

3.4 步进延时电路

FPGA产生等效采样的最小步进延时Δt为5 ns，采用8位可编程延时芯片DS1023-100构成步进延时电路，最小的步进延时Δt达到1 ns。具体电路如图4所示。引脚14为串口/并口模式选择，接高电平为串口输入模式。串行数据由引脚4输入，输入16位串行数据，则可以控制2片延时芯片的输出脉冲与输入脉冲之间的延时。将不用的并行数据口P3～P7接地，最好不要悬空。

图4 步进延时电路

4 系统软件设计[5-6]

本示波器功能齐全，大部分功能主要由软件来控制。单片机主要完成前级信号调理电路增益控制、波形显示和操作界面的管理。FPGA主要完成A/D采样及采样方式控制、存储采样数据并进行处理、步进延时电路等控制以及承担等精度测频的任务。系统软件主流程图如图5a所示。本示波器采用LCD液晶显示触摸屏显示波形，在LCD上实现了触摸功能键。图5b为LCD液晶显示触摸屏上波形显示和操作界面的选单功能键示意图。子选单功能键选中之后，通过另外配置的旋钮来实现相应功能。

5 测试数据与分析

5.1 测量方案

从数字合成信号发生器输出正弦信号，接入示波器输入端，通过旋钮和LCD液晶触摸屏上的触摸键调节显示波形。主要测量项目有垂直灵敏度、水平扫描速度、周期、电压幅度、触发功能和波形存储功能等。

图5 软件主流程图及界面选单功能键示意图

5.2 测量结果与数据

5.2.1 垂直灵敏度、水平扫描速度、周期和幅度

结果：电压测量误差＜3%，周期测量误差＜3%，信号模拟带宽达到15 MHz。

5.2.2 在2 mV/div挡输入短路时系统输出噪声测量

经测试小于2 mV，符合题目要求，如表1，2所示。

表1 垂直灵敏度0.1 V/div，信号峰峰值为0.8 V测量结果

表2 垂直灵敏度2 m V/div，信号峰峰值为16m V测量结果

5.2.3 其他主要功能的实现测量

单次触发功能：按下单次触发键后，输入信号满足触发条件时，开始采样，进行一次，将采样波形数据显示出来，实现了单次触发功能。

触发方式测试：实现了上升沿触发，触发电平分别在每一挡垂直灵敏度所对应的最大电压与最小电压之间200挡可调，旋动触发电平可调旋钮可以观察到波形触发显示的起点发生改变，且只能是上升沿触发。

存储/回调功能测试：在任意状态按下存储键，存储当前波形数据，在任何时候都可以按下回调键将上次存储的波形回调显示出来。

自动挡测量：按下自动挡后，自动搜索适合输入信号的垂直灵敏度和水平扫描速度，将其波形显示在LCD液晶显示触摸屏上。

6 测试结果分析及总结

系统电压测量误差主要来源于前级信号调理电路，由于被测信号是宽带信号（信号频率10 Hz～15 MHz），而且是高动态范围（峰峰值为1 mV～16 V），对前级信号调理电路要求很高，主要是由于运放在通带内幅频特性不够平坦、运放级间耦合匹配及串扰，由于具有直流耦合挡，还需要消除运放带来的失调电压和偏置电压，本示波器工作时间长短引起的温度变化带来的温漂也会引起这些参数的变化，因此本示波器硬件的前级信号调理电路部分需要很花心思调试。

系统频率测量的误差来源于等精度测频中对频标计数的±1误差。在对高频小信号进行放大整形时由于其信噪比很低，引起比较器边沿抖动及工作不稳定，从而导致小信号的测频精度有所下降。另外，由于采用的比较器为超高速比较器，比较适合做高频段，在低频时，比如10～20 Hz时，测频会出现较大误差，有可能完全测不准，这还需要设计一路低速比较器用来测低频信号。

[1]刘宪力.基于等效和实时采样的数字滤波器设计[J].电子设计工程，2009，17（6）：69-71.

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[3]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中理工大学出版社，2000.

[4]李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[5]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.